刺激响应膜及其研究进展

刺激响应膜及其研究进展

黄晶;周晓吉;沈舒苏;杨晶晶;张干伟;白仁碧

【摘要】Stimuli-responsive membranes have been designed to respond to change in pH,temperature,light,magnetic field,electric and ionic strength.Stimuli-responsive membranes change their physicochemical properties in response to changes in their environment.This review covers the change of membrane properties which caused the alter of membrane permeability and separation performance.Finally,the potential applications and development in the future were discussed.%刺激响应膜包括pH、温度、光、磁场、电场、离子强度等单一刺激响应膜或多重刺激响应膜.刺激响应膜通过改变它们的物理化学性质以对外界环境的变化作出响应,从而提供了一些独特的分离性能.本论文考察和总结了不同刺激响应膜性质的改变及其所造成的膜的渗透性能和分离性能等的变化,并展望了刺激响应膜的潜在应用及发展方向.

【期刊名称】《膜科学与技术》

【年(卷),期】2018(038)002

【总页数】9页(P132-140)

【关键词】刺激响应膜;渗透性能;分离性能

【作者】黄晶;周晓吉;沈舒苏;杨晶晶;张干伟;白仁碧

【作者单位】苏州科技大学分离净化材料与技术研发中心,苏州215009;苏州科技大学分离净化材料与技术研发中心,苏州215009;江苏省水处理技术与协同创新中心,苏州215009;苏州科技大学分离净化材料与技术研发中心,苏州215009;江苏省

水处理技术与协同创新中心,苏州215009;苏州科技大学分离净化材料与技术研发中心,苏州215009;江苏省水处理技术与协同创新中心,苏州215009;苏州科技大学分离净化材料与技术研发中心,苏州215009;江苏省水处理技术与协同创新中心,苏州215009;苏州科技大学分离净化材料与技术研发中心,苏州215009;江苏省水处理技术与协同创新中心,苏州215009

【正文语种】中文

【中图分类】TQ028.8

刺激响应型膜新技术在近些年正逐渐成为研究发展的热点之一.刺激响应膜[1-2]在pH[3-5]、温度[6-8]、光[9]、磁场、电场[10]或离子强度[11]等外界条件的变化激发下表现出特定的物理或化学性质的可逆转变.对于特定的环境刺激，刺激响应膜可以高效并有选择性地改变其膜上基团的物理或化学性质来改变其孔结构或表面性能，从而可以灵活调控膜的渗透性和分离性能等.智能聚合物由于能够发生极性或者构象的可逆变化而被认为是开发刺激响应膜系统的重要材料.刺激响应膜结合智能聚合物的响应性及膜材料本身的机械强度等诸多优点，在传感器、分离系统、药物传输系统等复杂技术系统中都是具有潜在应用的关键部件.本文将介绍智能膜材料方面的研究新进展，重点介绍pH响应型、温度响应型、离子强度响应型、光响应型等刺激响应型智能膜材料方面的研究进展.

1 pH型刺激响应膜

pH型刺激响应膜已较多地应用于化学及药物控制释放、生物传感器、分子识别和物质分离等领域[1，12-14].通过调节溶液的pH以诱导膜的渗透性或选择性发生改变，是一种绿色、低能耗且简单的物质分离、纯化或传质调控方法.膜的pH刺激响应行为主要是通过在膜表面引入含有对pH敏感的聚合物或共聚物，如聚甲基

丙烯酸二甲氨基乙酯(PDMAEMA)、聚丙烯酸(PAA)、聚甲基丙烯酸(PMAA)、聚乙烯基吡啶(P4VP)[15-18]等.在不同的pH条件下，这些聚电解质链段发生构象的转变导致膜孔径，分子截留量及渗透性能的改变，从而改变膜的某些或全部功能.羧酸基团和吡啶基团是最常用的pH刺激响应型功能团.

羧酸基团是一种包含有羰基和羟基的官能团.在低pH溶液条件下，羰基质子化不带电，从而使含有羧基的聚合物体积收缩；在pH高的条件下，羧基去质子化解离成羧酸盐，导致这种聚合物电荷强度升高，发生相互排斥，从而体积膨胀.由于含羧基聚合物的这种构型或体积的变化，导致膜的孔径发生相应变化，使得溶液的渗透性能及溶质截留率在不同pH下发生改变.

PAA和PMAA是最常用的含有羧基的pH响应型聚合物.Hester等[19]将两亲性梳状共聚物PVDF-g-PMAA作为添加剂与PVDF共混，发生自组装表面偏析现象.通过荧光显微法发现，PVDF-g-PMAA在膜表面的含量是膜内部含量的6倍.共混膜在pH为2和8时产生明显的pH响应性和响应的可逆性，典型结果如图1所示：在酸性条件(pH=2)下膜孔增大，水通量增加[约500 L/(m2·h)]；在碱性条件(pH=8)下膜孔减小，水通量大大减少[约20 L/(m2·h-1)]，接近于纯PVDF膜的水通量(见图1).

图1 溶液的pH在2和8之间变动时，未改性膜和改性膜的通量变化(每半个循环包括1 min的过滤平衡时间和1 min的测试时间)[19]Fig.1 Buffer solution flux through autoclaved control and blend membranes as the pH of the feed was alternated between 8 and 2 (Each half-cycle consisted of a 1 min filtration period for equilibration, followed by a gravimetric flux measurement over a second 1 min period)[19]

Ju等[20]通过自由基聚合合成P(MMA-HEMA-AA)(甲基丙烯酸甲酯-2-羟乙基甲基丙烯酸酯-丙烯酸)添加剂，与PVDF共混，通过相分离过程制备得到微滤膜.对